Текст книги "Аккумуляторы. Справочник"

Литий-полимерные аккумуляторы – свежее слово в области бытовой электроники. Отличие от всех остальных батарей состоит в электролите. Существуют три вида электролитов для литий-полимерных аккумуляторов:

1) полимерные сухие (полиэтиленоксид + соли лития);

2) гомогенные гель-полимерные (смесь солей лития пластификаторов и различных полимеров);

3) микропористая полимерная матрица и сорбированные в ней растворы лития.

Чаще применяется сухой электролит из полимера, вместо ставших традиционными пропитанных электролитами пористых сепараторов. Внешне они напоминает тонкую пластиковую пленку.

По характеристикам литий-полимерные аккумуляторы во многом подобны литий-ионным, однако работать могут только при температуре более +60 °C.

При более низких температурах, например, комнатной, литий-полимерные аккумуляторы обладают сниженной электропроводностью. Для повышения электропроводности таких аккумуляторов добавляется электролит, имеющих гелеобразную консистенцию. Улучшенные литий-полимерные аккумуляторы могут работать только при положительных температурах.

Стоимость этих устройств высока и оправдывается только в тех случаях, когда батарею необходимо изготовить в какой-либо нестандартной форме, так как аккумулятор может заполнить любое пустующее в корпусе оборудования пространство. Например, в сверхтонких

мобильных телефонах. Для них могут изготавливаться аккумуляторы толщиной в 1 мм. Конкретный пример показан на рис. 1.1.

Рис. 1.1. «Тонкий» аккумулятор

«Старение» данного вида аккумуляторов происходит так же, как и литий-ионных. Даже если аккумулятор лежит без действия, за два года он потеряет до 20 % емкости. Хранить такие устройства рекомендуется полузаряженными (на 40–50 %) при температуре 0…10 °C.

При более низких температурах происходит кристаллизация полимерного материала, и снижение его электропроводных свойств. Отчасти поэтому аккумуляторы имеют иную энергоемкость (при прочих равных условиях) при температурах ниже 0 °C.

Преимущества литий-полимерных аккумуляторов заключаются в низком саморазряде, высокой плотности энергии на единицу массы и объема, небольших перепадах напряжения в процессе разряда, гибких формах и толщине элементов до 1 мм, 300…500 рабочих циклов.

Для предотвращения перегрева и перезарядки устройства оснащены специальной микросхемой, которая регулирует интенсивность разряда. Благодаря тому, что в устройствах отсутствует жидкий электролит, они более безопасны.

Современные литий-полимерные аккумуляторы имеют улучшенные свойства, высокую интенсивность электроотдачи, увеличенный температурный диапазон для применения, поэтому с успехом используются в производстве различной электроники (сотовые телефоны, ноутбуки, фотоаппараты).

1.2. Отличительные особенности портативных аккумуляторов для бытовых электронных устройств

Современные портативные аккумуляторы для бытовых электронных устройств – это, прежде всего, Li-Ion polymer элементы. Рассмотрим их отличительные особенности:

• легкий вес, малая толщина, широкая область применения, гибкость встраивания в разработку;

• легко приспосабливаются под любое приложение пользователя;

• имеют высокую энергетическая плотность, большая емкость при малых габаритах;

• применяются для питания телекоммуникационного оборудования и систем связи, в бытовых мобильных и спутниковых телефонах, видеотехнике.

В табл. 1.1 представлены Li-Ion polymer элементы для аккумуляторов с номинальным напряжением питания 3,7 В.

Таблица 1.1

Литий-полимерные (Li-ion polymer) элементы для аккумуляторов с номинальным напряжением питания 3,7 В

* Нет данных

1.3. Аккумуляторы современных сотовых телефонов

Все приведенные выше выкладки верны для новой правильно заряженной батареи. А если она уже не новая? Если она заряжена неправильно? Что делать? Постараемся разобраться, как устроена аккумуляторная батарея современного мобильного телефона, каковы ее основные характеристики и правила использования.

Аккумуляторные батареи, применявшиеся и применяемые в современных сотовых телефонах – литий-ионные – Li-lion (Lithium Ion) и литий-полимерные – Li-Pol (Lithium Polymer) почти полностью вытеснили все другие, ранее актуальные типы: никель-кадмиевые – Ni-Cd (Nickel Cadmium) и никель-металлгидридные – Ni-MH (Nickel Metal-Hydride).

Рис. 1.2. АКБ к различным современным сотовым телефонам

На рис. 1.2 представлена АКБ к различным современным сотовым телефонам с разным номинальным напряжением.

Литий-полимерные батареи появились на рынке сотовых телефонов и портативных компьютеров недавно, они немного дешевле, чем литий-ионные батареи при одинаковой плотности энергии. Выдерживают примерно 150 циклов заряда-разряда.

Литий-полимерные батареи изготавливаются в разнообразных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных батарей. Они достаточно тонкие по толщине и способны заполнять любое свободное место.

Основными параметрами аккумуляторной батареи телефона являются:

• электрическая емкость;

• внутреннее сопротивление;

• напряжение;

• саморазряд;

• срок службы.

1.4. Аккумуляторы портативной аппаратуры для эксплуатации в холодном климате

Владельцы аппаратуры радиосвязи сталкиваются с проблемами, связанными с отсутствием в продаже аккумуляторных батарей для портативных радиостанций, сотовых телефонов и подобных им изделий.

Рис. 1.3. Аккумулятор портативной радиостанции Kenwood

Нередки случаи, когда невозможно приобрести оригинальные аккумуляторные батареи (в том числе для снятой с производства аппаратуры). Актуальные проблемы могут иметь место при необходимости установить вместо штатного аккумулятора автономный источник питания повышенной емкости (для увеличения времени работы радиоаппаратуры от аккумуляторных батарей).

Штатные (посадочные) места для различной аппаратуры, рассчитанной на работу от аккумуляторов, не являются универсальными, поэтому часто при необходимости заменить аккумулятор, например, у портативной радиостанции, приходится долго искать именно оригинальный, ведь ни один другой по размерам и конструктивным особенностям корпуса просто не подходит. На рис. 1.3 изображен внешний вид аккумулятора от портативной радиостанции Kenwood TH-F7.

Для того, чтобы правильно подбирать и заменять аккумуляторы к различной радиоаппаратуре, необходимо проводить сравнительный анализ и использовать обзорные данные; что несомненно поможет в выборе источников питания портативной аппаратуры для эксплуатации в различных климатических условиях.

1.5. Аккумуляторы больших типоразмеров

Свинцовые кислотные (Lead-Acid) аккумуляторные батареи являются основной «рабочей лошадкой» в системах связи в тех случаях, когда требуется значительная емкость (например, в качестве резервных источников питания базовых станций). Существующие герметичные (гелевые) батареи и батареи с жидким электролитом (свинцовые) имеют примерно одинаковые электрические характеристики при низких температурах.

При 25 °C (без подключения к устройству нагрузки) они длительное время сохраняют 95 % от своей емкости. При понижении температуры до —20 °C емкость падает значительно. Свинцовые батареи с жидким электролитом имеют более высокую плотность энергии относительно герметичных гелевых, но уступают по этой характеристике другим типам аккумуляторных батарей.

В этих батареях электролитом пропитан наполнитель из материала, напоминающего стекловату с очень тонкими стеклянными волокнами.

Рис. 1.4. Свинцовая АКБ LPG-12-200

Рис. 1.5. Свинцовая перезаряжаемая АКБ DJW-12-18

По электрическим характеристикам они занимают промежуточное положение между гелевыми батареями и батареями с жидким электролитом, и данный тип батарей практически лишен одного из наиболее неприятных недостатков гелевых батарей – необратимого увеличения внутреннего сопротивления батареи при небрежной эксплуатации, когда в силикагеле, используемом для фиксации электролита, образуются разрывы из-за пузырей газа.

Примеры свинцовых батарей на рис. 1.4 и 1.5.

Перезаряжаемые щелочные батареи (Rechargeable Alkaline – не путать с аккумуляторами, которые в старых публикациях до 1990 г. назывались «никель-кадмиевы-ми щелочными батареями») имеют высокое внутреннее сопротивление уже при комнатной температуре, что приводит к серьезному падению напряжения при использовании их в передающей аппаратуре с мощностью свыше 0,1 Вт (максимальный рекомендуемый ток разряда не превышает 400–500 мА).

Рис. 1.6. Перезаряжаемая щелочная батарея из миниатюрного «китайского» фонарика

При низких температурах проблема усиливается, поэтому их использование в передающей аппаратуре зимой нецелесообразно. При низких температурах эти батареи подходят только для маломощных устройств, обеспечивая при малых токах разряда около 75 % от емкости при комнатной температуре и при 0 °C, и менее 20 % при —20 °C. Привлекательной для потребителя особенностью этих батарей является их весьма малый (для аккумуляторов) саморазряд.

Основным недостатком батарей, выполненных по этой технологии, является их недолговечность (малое число циклов заряд-разряд, которые они способны отработать при допустимой потере емкости).

Рис. 1.7. Перезаряжаемая щелочная батарея из мощного «китайского» фонарика

Один из примеров перезаряжаемой щелочной батареи, которую можно сегодня увидеть в «китайском» фонарике, представлен на рис. 1.6 и 1.7.

1.6. Анализаторы/кондиционеры батарей

Одним из электронных изделий современной промышленности, способных значительно упростить эксплуатацию носимых радиостанций, является анализатор батарей, предназначенный для контроля над состоянием батарей и реализующий автоматическую тренировку аккумуляторов. При помощи этого прибора можно оперативно оценить степень потери емкости (износа) аккумуляторных батарей, а также произвести тренировку для устранения последствий неоптимальной эксплуатации и снятия «эффекта памяти».

Серия анализаторов состоит из трех моделей – ANALYZER I, ANALYZER III и ANALYZER VI, рассчитанных на обслуживание одного, трех и шести аккумуляторов соответственно, которые обладают как стандартными функциями настольного зарядного устройства, так и рядом уникальных, не имеющих аналогов возможностей для проверки и испытания аккумуляторных батарей следующих типов: Ni-Cd, Ni-MH, Lithium Ion, Lead Acid.

Некоторые функциональные особенности:

• управление анализатором и выбор режима работы кондиционера осуществляется при помощи одной кнопки (single button operation);

• четыре независимых степени заряда аккумулятора: 300, 600, 700 и 1000 мА;

• восемь независимых степеней разряда аккумулятора: 200, 300, 400, 500, 700, 800, 900 и 1000 мА;

• использование стандартных адаптеров позволяет проводить обслуживание различных типов аккумуляторных батарей при помощи одного анализатора. В комплекте с анализатором бесплатно поставляются и адаптеры. Число адаптеров определяется количеством ячеек в анализаторе;

• возможность стыковки с персональным компьютером.

1.7. Что полезно знать о популярных элементах питания

Миниатюрные элементы питания (батарейки и элементы) пользуются постоянным спросом: большинство портативных электронных устройств рассчитаны на автономные источники питания – миниатюрные часы, ручки-указки, фонарики локальной подсветки, брелоки и многие другие. Элементы питания (батарейки) можно заменять аккумуляторами такого же типоразмера.

Как отличить батарейку от аккумулятора?

В первом случае на корпусе можно прочесть слово «батарея» (battery), на корпусе аккумулятора обязательна информация о его энергоемкости (рис. 1.8), которая измеряется в миллиампер-часах (мА/ч). Для мощных аккумуляторов емкость измеряется в ампер-часах.

На рис. 1.9 представлен вид батареи типоразмера 6LF22 (типа «Крона») со снятым кожухом.

Рис. 1.8. Никель-металлгидридная аккумуляторная батарея типоразмера 6LF22 (6F22) с напряжением 9 В

Рис. 1.9. Вид внутри батареи типа «Крона»

Батареи и аккумуляторы разделяются и по форме: дисковые (CR), пальчиковые (АА), мизинчиковые (ААА) бочонок (343, 373), крона (6LF22, 6F22).

На рис. 1.10 представлены мизинчиковые элементы разных производителей. На корпусе таких элементов обязательно указывается номинальное напряжение (1,5 В), маркировка (LR03), типоразмер ААА.

На некоторых указывается химический состав или производственная технология (к примеру – алкалиновая), а также информация о саморазряде, к примеру, элементы с 0 % саморазряда готовы к длительному хранению (при соблюдении прочих необходимых условий, в том числе температурного режима).

Рис. 1.10. Внешний вид мизинчиковых батареек и АКБ типоразмера ААА

Некоторые рассматриваемые элементы, к примеру, мизинчиковые на пальчиковые, в случае крайней необходимости может-то заменять, хотя и помнить, что энергетическая емкость (энергоемкость) у них различна, а значит, «аналог» будет работать в устройстве меньше, чем рекомендованный производителем элемент. Если это замечание в конкретной ситуации не принципиально, можно смело следовать приведенным ниже советам.

Мизинчиковая батарея (элемент R03) ААА может работать в батарейном отсеке (боксе) и как элемент АА (пальчиковая батарея), по длине они равны. Для этой адаптации по размеру элемент легко может быть подстроен под более крупный (из типоразмера ААА в АА) с помощью сантехнических прокладок с внутренним диаметром 8 мм и внешним 10 мм (таков внешний для элементов типа АА).

На рис. 1.11 показано как это сделать.

Рис. 1.11. Подгон мизинчиковой батареи под типоразмер пальчиковой

Аналогичным образом компактная батарея GP Ultra Alkaline Battery 23АЕ 12V с напряжением 12 В, часто применяемая в брелоках автомобильной сигнализации, фотоаппаратах, компьютерном оборудовании, электрических бритвенных станках, зубных щетках и беспроводных «музыкальных» звонках, также может быть адаптирована в боксе (батарейном отсеке), рассчитанном для элементов типоразмера ААА. Эта литиевая батарея обладает более высоким напряжением, чем источники тока других электрохимических систем.

Литиевые элементы питания имеют низкий уровень саморазряда (не более 2 % в год) и длительный срок хранения (заявлено производителем 5—10 лет до начала эксплуатации). Характеризуются стабильной работой в широком диапазоне температур (от —30 до +65 °C).

Новый элемент Alkaline Battery 23АЕ 12V почти в 2 раза короче «штатного», тем не менее, простой растяжкой пружины от минусового полюса (контакта) можно легко добиться того, что GP Ultra надежно зафиксируется на новом месте – в том же батарейном отсеке.

Для нормальной работы от нового элемента – с повышенным напряжением питания – необходимо так подключить электрическую цепь (внести изменения в схему), чтобы новый источник питания не вывел из строя ее элементы.

Чтобы разбираться среди разнообразных элементов, предлагаю читателям справочные сведения по некоторым, наиболее популярным из них (см. табл. 1.2–1.7).

Таблица 1.2

Элементы питания дисковые типа «Renata» с номинальным напряжением 1,5 В

Таблица 1.3

Дисковые элементы питания типа LR

Таблица 1.4

Гальванические элементы (и составные батареи из однотипных элементов) Energizer

Таблица 1.5

Гальванические элементы и батареи GP-Greencell

В таблицах 1.6 и 1.7 представлены некоторые электрические характеристики для различных типов батарей.

В столбце МЭК указан международный стандарт, в столбце ГОСТ, ТУ – отечественный.

Таблица 1.6

Электрические характеристики разных элементов и батарей

В табл. 1.7 представлены полезные данные по дисковым элементам питания; сведения позволят подбирать элементы для взаимозамены в довольно частых практических случаях, когда дисковые батареи CR2032 можно (с некоторыми оговорками) заменять на CR2016. Подобных случав взаимозамен на практике множество.

Таблица 1.7

Параметры элементов питания относительно их типоразмера

В заключение необходимо заметить известную тенденцию: как правило, энергоемкость у элементов и аккумуляторов тем больше, чем ниже номинальное напряжение.

Для комплектации своих электронных устройств (или, как принято их называть «гаджетов») я применяю батареи алкалиновые – с самым долгим сроком хранения и низким саморазрядом. В качестве дисковых элементов предпочитаю элементы известных фирм (брендов); они на порядок дороже, но окупаются уверенной и длительной работой. Сам я пришел к этому не сразу (уж больно велико иногда желание экономить). Однако, установив пару раз в брелок автомобильной сигнализации дешевый дисковый элемент, и потеряв управление машиной в самый неподходящий момент, невольно приходишь к такому простому выводу.

Что же до экономии, то с опытом работы скажу: можно реально экономить на элементах питания, если применять аккумуляторы вместо элементов (батареек). Зарядное устройство, купленное один раз, не создаст дыру в вашем семейном бюджете, а окупится довольно скоро.

С другой стороны, надо понимать, что аккумуляторы (какими бы они не были по технологии изготовления и типоразмеру) требуют к себе особого отношения. Пользоваться ими рекомендую там, где ожидается стабильность – в фонариках, игрушках, фотоаппаратах, диктофонах и в другой электронной технике они хороши только тогда, когда устройством пользуетесь постоянно, а если диктофон применяется пару раз в год – аккумулятор вы только испортите; в этом случае используйте обычные батарейки – элементы питания. Получится дешевле и не менее хорошо.

Элементы питания дисковые типа «Renata» с номинальным напряжением 1,5 В представлены в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Элементы питания дисковые типа «Renata» с номинальным напряжением 1,5 В

Глава 2
Эксплуатация и восстановление различных аккумуляторов

2.1. Автомобильные аккумуляторы

Автомобильные аккумуляторы предназначены для обеспечения работы системы зажигания в стартерном режиме и при запуске двигателя внутреннего сгорания, а также служат источником питания аппаратуры, установленной на транспортном средстве. Гарантийный срок хранения не залитых раствором электролита батарей установлен 3 года, срок службы 2 года, наработка 2500…3000 часов. Батареи предназначены для работы при температуре от —35 до +6 °C. Удельная энергия стартерных аккумуляторов составляет 30…40 Втч/кг.

При эксплуатации в автомашине аккумуляторные батареи разряжаются и автоматически дозаряжаются. Контроль заряда осуществляется регулятором напряжения и реле обратного тока. При исправном и хорошо отрегулированном регуляторе аккумуляторы ограждены от недозарядов и перезарядов, сокращающих их долговечность. Однако при этом требуется периодический контроль работы регулятора и перевод его на режим, соответствующий температурным и климатическим условиям.

При повреждении мастики, герметизирующей корпус аккумулятора, для предотвращения взрыва гремучей смеси батарею следует разрядить и вылить электролит. Затем продуть сжатым воздухом, протереть и только после этого приступить к оплавлению мастики.

Не реже одного раза в две недели следует очищать батарею от пыли и грязи; места, облитые электролитом, протирать чистой ветошью, смоченной в 10 %-ном растворе нашатырного спирта, углекислого натрия или кальцинированной соды.

Проверять крепление батареи в гнезде, плотность контактов на выводах, отсутствие натяжения проводов; очищенные наконечники проводов и выводов батарей смазать техническим вазелином; прочищать вентиляционные отверстия в пробках и крышках; проверять уровень электролита и доливать дистиллированной водой до нормы.

Доливка электролитом не допустима за исключением случаев выплескивания его из батареи.

Плотность доливаемого при этом электролита должна соответствовать плотности электролита в аккумуляторе. Контроль работы регулятора проводится при техническом обслуживании автомашин.

Проверка и регулировка регулятора должна производиться в случаях, если регулируемое напряжение имеет значение более 15,5 В или не соответствует указанному в инструкции по эксплуатации машины. При регулировке следует применять вольтметр класса не хуже 1,5.

Батарею, разряженную более чем на 25 % зимой и более чем на 50 % летом, следует снять с автомашины и поставить на заряд.